量子物理與大腦掃描——Quspin光泵磁力計在腦科學中的国产成人在线观看免费网站

正文

量子物理與(yu) 大腦掃描

編自2021年2月 Physics World

引言：

基於(yu) 基礎物理的健康技術，已經掀起了數次醫學革命。但是麵對更多更複雜的挑戰，就需要引入全新的物理理論。來自諾丁漢大學

(University of Nottingham)的Hannah Coleman和Matt Brookes希望通過基於(yu) 量子物理的MEG掃描，來探索人類大腦是如何運作

的。

在大多數醫學成像中，目標都是獲得身體(ti) 或者組織的內(nei) 部結構，尋找異常的增生、腫瘤、或者異常，並以此來確定治療所需的關(guan) 鍵信

息。

然而，在很多疾病中，需要關(guan) 心的不隻是器官的基本結構，更重要的是這些器官如何運作。這一點對於(yu) 評估器官的健康狀態非常重要

——特別是大腦疾病，比如癲癇、癡呆、還有其他的一些精神疾病。在這些疾病中，無論用多精密的成像手段，器官組織的結構通常

看起來都很 “正常”，但是從(cong) 功能運作上來說的確存在問題。因此，發展一種可以觀察大腦功能運作的手段，就非常重要了。換句話

說，我們(men) 需要一種可以同時觀察大腦裏九千萬(wan) 神經細胞電信號的手段。

“For many illnesses we must move beyond simple structure and learn about the way in which an organ functions.”

“對於(yu) 許多疾病，我們(men) 不能僅(jin) 僅(jin) 局限在器官基本構造上，而是要去了解它們(men) 的運作方式。

腦磁圖（magneto-encephalography，MEG）是觀察大腦功能的一種新方式。MEG通過測量電流在神經結構中流動時產(chan) 生的磁信

號，用數學模型生成實時的神經電流波動（下圖a）。因此，MEG作為(wei) 一種安全、非入侵式的觀察方式，為(wei) 我們(men) 了解大腦的工作方式提

供了有效的支持。在腦科學的研究中，腦磁探測技術的国产成人在线观看免费网站日益廣泛，讓人們(men) 對於(yu) 健康和受到疾病影響的大腦運作方式有了更深入的認

識（下圖b）。

腦磁圖（MEG）的效果：

a.當人移動手指的時候，大腦中初級運動皮層上的細胞簇就會(hui) 處於(yu) 活躍狀態，同時這種神經電流會(hui) 產(chan) 生相應的磁場。這個(ge) 磁場相對於(yu) 頭

的徑向分量就可以被探測到，並且被MEG所描繪出來。在可視化數據表達上，紅色表示遠離頭部的磁場方向，藍色表示朝向頭部的方

向。通過稱為(wei) “溯源定位”的數學模型，我們(men) 可以生成神經電流實時變化的3D圖形。黃色的包絡區域表明，手指運動時，區域內(nei) 有神

經電流波動。通過MEG，大腦活動不僅(jin) 僅(jin) 可以在空域內(nei) 進行觀察研究，還可以在時域進行有效觀測。大腦活動的電信號可以分解成特

征頻譜（被稱作神經振蕩或者腦波）。

上圖表示了手指運動時，初級運動皮層中電流強度振蕩頻率隨時間變化的情況。藍色表示相對於(yu) 神經節奏基準減弱，紅色表示加強。當

對象移動手的時候，beta振蕩（~20Hz）減弱。運動過後，通過“重結合”（比如信號增強高於(yu) 基準值），回歸到基準值。這種重結

合在患有精神分裂症的患者上會(hui) 表現異常。這可能表明初級運動皮層和大腦其他區域缺乏有效聯係。（資料提供：Elena Boto, 

University of Nottingham; CC BY 4.0 Robson et al. adapted from NeuroImage: Clinical 12 869）

盡管潛力巨大，現有的MEG掃描卻具有極大的局限性，因此並沒有被廣泛国产成人在线观看免费网站。腦電流產(chan) 生的磁場非常微弱（~100fT，大約為(wei) 地球磁

場的十億(yi) 分之一），所以需要非常靈敏的傳(chuan) 感器。許多年以來，可用的設備隻有超導量子幹涉儀(yi) （Superconducting Quantum 

interference Device, SQUID），這是一種基於(yu) 超低溫下兩(liang) 個(ge) 超導體(ti) 之間絕緣帶中的隧穿效應的低溫傳(chuan) 感器（基於(yu) 約瑟夫森效應）。隧

穿電流是SQUID中磁通量的函數。

“Despite excellent promise, the current generation of MEG scanners are severely limited, preventing their widespread adoption.”

“盡管有很好的預期，目前這一帶的MEG掃描器有很大的局限性，這一局限性阻礙了他們(men) 被廣泛国产成人在线观看免费网站”

為(wei) 了保持超導態，SQUID必須處於(yu) -269℃的環境中，這就極大限製了MEG掃描的設計和国产成人在线观看免费网站範圍。首先，必須保證低溫腔和被測人頭

部之間的熱絕緣，以防對被測人造成傷(shang) 害。由於(yu) 磁場是按照距離的平方衰減，這個(ge) 熱絕緣帶就局限了探測的靈敏度。其次，探頭被安放

在被測人頭部外的杜瓦容器（超低溫腔）中。以上兩(liang) 點意味著，如果測試中，被測人頭部發生了移動，就會(hui) 大大降低掃描質量。僅(jin) 僅(jin)

5mm的平移就會(hui) 讓測量數據徹底無效，大多數被測人是無法忍受這種測試環境的。同時，這種固定式的探測結構，也導致了固定的測

試頭罩尺寸。這大大限製對年幼兒(er) 童和嬰兒(er) 的掃描，因為(wei) 兒(er) 童和嬰兒(er) 的頭部尺寸遠小於(yu) 探測頭罩。last，SQUID探測器、控製電路、

製冷回路的複雜組合，也大大提升了造價(jia) （典型價(jia) 格為(wei) 200萬(wan) 英鎊，1800萬(wan) 人民幣以上的造價(jia) ，加上高昂的運行費用）

量子革命

近年來研究人員通過對量子領域的探索解決(jue) 了MEG的局限性（感謝由英國量子技術項目和惠康信托基金資助的諾丁漢大學彼得曼

斯菲爾德影像中心和倫(lun) 敦大學惠康人類神經影像中心）。在研究中，光學泵浦磁力計（光泵磁力計，Optically Pumped 

Magnetometers, OPMs）是關(guan) 鍵突破。OPM是一種基於(yu) 量子技術，和SQUIDs有同樣靈敏度的磁場探測裝置，但是不需要SQIUIDs

那樣的超低溫環境（下圖）

光學泵浦磁力計（OPM）基本原理：

每個(ge) 光泵磁力計包含一個(ge) 充滿銣-87原子蒸汽的玻璃室。當一束和原子的D1譜線產(chan) 生諧振的圓偏光穿過蒸汽時，它將銣原子泵浦到一個(ge)

角動量順著光束的量子態。因為(wei) 每個(ge) 原子具備的磁動量和角動量是相關(guan) 聯的，自旋偏振的原子蒸汽的淨磁化率對外界磁場非常敏感。當

所有的原子都在相同的狀態，並同時引入偏正態時，就不會(hui) 產(chan) 生更多的吸收。這時候，通過氣室的光強達到Z大值。然而，當偏振率因

為(wei) 某些原因下降的話，比如說由於(yu) 和外界磁場發生交互，光就會(hui) 再次被吸收，同時光探測器上得到的信號就會(hui) 相應減弱。不過，偏振一

般很快就會(hui) 消失，因為(wei) 原子傾(qing) 向於(yu) 自然的“弛豫”態。在一個(ge) 零場的環境中，這主要是由於(yu) 自旋交換碰撞。這種碰撞導致在處理自旋態

時，相幹性的損失。為(wei) 了維持磁場敏感態，就需要去抑製這種弛豫。雖然可能有些反直覺，但是這一點可以通過增加蒸汽密度來實現。

這樣就增加了自旋交換碰撞率。在低磁場的環境下發生極高數量的碰撞，自旋在兩(liang) 次碰撞中沒有足夠的時間發生退相幹，這就使得偏振

態可以得到保持，從(cong) 而也就維持了對外部磁場的敏感度。這被稱為(wei) 無自旋交換弛豫（Spin-Exchange Relaxation Free，SERF）區

間。在SERF區間裏，偏振氣體(ti) 宏觀磁動量遵循Bloch等式——一組描述宏觀磁場變化關(guan) 於(yu) 時間的方程。這樣，外部磁場的變化就可以

得到很好的描述。這種描述表明，通過測量透過氣室的光強得到的蒸汽偏振，是關(guan) 於(yu) 外部磁場的洛倫(lun) 茨函數。不過，洛倫(lun) 茨方程的對稱

性表明，正向和反向的磁場會(hui) 對蒸汽有著相同的影響。這一點可以通過疊加另一個(ge) 已知的外部磁場來補償(chang) 。通過加載一個(ge) 外部的交變磁

場，使得蒸汽偏振態隨著外部加載的微小磁場（<1nT）發生線性相關(guan) 變化。這樣的話，還可以通過鎖頻探測經過氣室的光強的微小變

化，以達到非常高的靈敏度。

較新的商業(ye) 化国产欧美在线，是由一家美國国产黄色在线观看QuSpin推出的。QuSpin不僅(jin) 使OPM更加堅固易用，而且兼具輕量化和小型化地特點。（尺寸

和重量都和一塊樂(le) 高積木相當）。基於(yu) 這個(ge) 新的設計，研究人員搭建了新的MEG設備。因為(wei) 這些OPM非常小，而且不需要低溫設備，

它們(men) 可以被直接安放在被測人的頭上。由於(yu) 去除了前代設備的隔熱層，這些探頭可以非常接近大腦，從(cong) 而大大提高了探測靈敏度。

“Based on this new design, our team has integrated optically pumped magnetometers into a working prototype MEG device.”

“基於(yu) 這種新設計，我們(men) 的團隊將光泵磁力計集成進了一個(ge) 可以正常運行的MEG原型機”

這也使得探頭陣列可以跟隨被測頭部一起運動，讓MEG測量不再受被測物的運動所幹擾。同樣的，一個(ge) 柔性的OPM安放架可以適應任

何頭顱大小。不管是嬰兒(er) 、兒(er) 童、成年人都可以用同一套係統測量。也因為(wei) 沒有了複雜的低溫係統， 基於(yu) OPM的MEG係統從(cong) 製造到運

行的費用都會(hui) 大大降低。

綜上所述這項技術使得MEG係統進化得更實用、功能更強大、價(jia) 格更低廉，從(cong) 而更適合大範圍泛臨(lin) 床国产成人在线观看免费网站。

然而，在實際国产成人在线观看免费网站中還有些其他問題需要克服。其中主要的問題之一，就是背景磁場噪音。大腦產(chan) 生的磁場，相比於(yu) 周圍隨時間變化

的磁場，比如實驗室設備、電腦、路過的汽車、甚至我們(men) 自己的身體(ti) 所產(chan) 生的磁場，要小得多。這些噪聲源會(hui) 產(chan) 生非常大的相幹磁場，

使腦磁探測的難度類似於(yu) 在搖滾現場去聽一根針掉在地上的聲音。

量子玩具

微型化結構使單個(ge) 光泵磁力計（OPM）探頭大小和重量都和一個(ge) 樂(le) 高磚塊相似。這些探頭由位於(yu) 美國科羅拉多的QuSpin国产黄色在线观看生產(chan) 。

（圖片來源：諾丁漢大學）

使問題更加複雜的是地球磁場的加入。對於(yu) SQUID，地磁並沒有影響，因為(wei) SQUID隻對隨時間變化的磁場敏感——當然地球磁場幾乎

不移動。但是對於(yu) OPM，我們(men) 希望病人可以在掃描過程中自由移動。這就使磁力計相對於(yu) 地球磁場產(chan) 生了運動。這樣一來，OPM所測

得的磁場變化和大腦也就沒啥關(guan) 係了，因為(wei) 他們(men) 在一個(ge) 磁場中發生了旋轉，或者在梯度場種發生了移動。在一些情況下，這點會(hui) 讓

OPM完全無法運作。

由於(yu) 這些原因，在OPM測試周圍，隨時間變化的磁場和地球的靜態磁場都必須被去除。為(wei) 了得到高保真的信號，采用了主動和被動的

磁場屏蔽技術。

被動屏蔽技術包括將MEG係統放在一個(ge) 由多層高磁導率金屬材料製成的磁屏蔽室中。然而，即便是xianjin的被動屏蔽也不能將地球磁

場屏蔽到允許患者可以自由移動的水平。因此，就引入了主動磁場補償(chang) 係統。

主動磁場控製：

亥姆霍次線圈產(chan) 生或者抵消一定範圍內(nei) 的磁場。但是如果我們(men) 隻用這些來控製外部磁場的話，就需要建立一個(ge) 完整的3D矢量場（比如

三個(ge) 方向正交）。這也就意味著需要將目標區域（物體(ti) ）完全包圍。但是這裏所采用的雙平麵線圈係統，每套線圈由8組獨立的線圈疊

加組成。通過使用MRI中梯度線圈的設計，每個(ge) 線圈在中心區域產(chan) 生不同的場或者梯度場（比如 Bx，By，Bz，dBx/dx，dBy/dy）。

這種結構與(yu) 亥姆霍次籠有相似的性能表現，同時不會(hui) 限製目標物體(ti) 的運動。這些“指紋線圈”被安放在兩(liang) 個(ge) 平麵內(nei) 。每個(ge) 平麵是

1.6x1.6m2，兩(liang) 平麵間距1.5m。複雜的走線和係統的尺寸都增加了係統搭建的難度。不過即便如此，這個(ge) 係統對於(yu) MEG研究來說，也

是更為(wei) 合適的。更重要的是，這種設計也可以用在其他的領域，現在類似的技術已經用在了量子引力測量方麵，用以進行地下結構的地

球物理測繪。

整套係統由與(yu) 一套獨立的磁力計陣列相連的複雜的電磁線圈係統構成。磁力計陣列可以測量被測者頭部附近的磁場。通過測量所得的數

值，一個(ge) 閉環反饋係統可以調節線圈陣列裏的電流，產(chan) 生相反的場。這樣，這些就可以抵消掉被測者頭部周圍的殘留測場。通過建造這

樣的主動被動相結合的磁屏蔽設備，可以將被測者周圍的磁場削減至50μT到~200pT。屏蔽係數達到~250000。通過使用這個(ge) 技術，

可以產(chan) 生一個(ge) 0.5m3的測量空間，被測者可以在其中自由移動。

“This technology generates a region of space around 0.5 m3 in which a patient can move freely during a scan”

“這項技術可以產(chan) 生一個(ge) 大約0.5m3的空間。在掃描時，被測者可以在其中自由移動。”

為(wei) 了實現OPM-MEG係統，還有些其他問題需要解決(jue) 。

探頭在被測者頭部具體(ti) 的分布形式，是通過解析解和計算模擬綜合決(jue) 定的。這種分布不僅(jin) 使OPM陣列可以高效地采集大腦地磁場信

號，而且還可以使相互之間的串擾Z小化。這種串擾是由探頭周圍存在的其他探頭而引入的。OPM探測陣列在頭部的固定，是通過高

級3D打印技術實現的。此外還研發了電控和數據采集係統，用來同步采集高達50個(ge) OPM的信號，同時還有一個(ge) 獨立的控製係統用來控

製線圈係統以及對被測者的刺激。除了這些，還需要新的數學模型模塊，根據OPM在頭皮上的測量信號，來建立大腦中電流密度圖

像。這些研發綜合起來，就誕生出了手個(ge) 可穿戴式的OPM-MEG係統，並完全覆蓋了整個(ge) 大腦。

新一代的MEG：

傳(chuan) 統的MEG掃描器非常笨重，固定測量尺寸，而且需要被測者保值不動。通過一係列關(guan) 鍵技術的發展，諾丁漢大學的物理學家，與(yu) 倫(lun)

敦大學學院的神經學家合作，通過使用光泵磁力計（OPM），製作出了新一代MEG——一種可穿戴、可廣泛適用不同人的、可以在測

量中自由運動的MEG。同時，也提升了數據采集的質量。（來源：諾丁漢大學）

可穿戴式成像設備

這種量子技術和電磁理論的獨特結合，使得之前無法實現的神經成像變為(wei) 可能，同時被測對象可以自由活動，並且和周遭進行互動。即

便在Z初始的階段，神經科學研究就展示了從(cong) 打乒乓球時的腦部活動，到探索虛擬ShiJie時的被測人的MEG記錄等一係列成果。

“Laboratories around the world are trying to gain access to this new technology”

“全SJ的實驗室都期待使用這一新技術”

這些僅(jin) 僅(jin) 是探索的開始。現在around the world都在設法使用這項技術。很多正在進行中的研究聚焦於(yu) 兒(er) 童大腦成像，並尋找神經發展研究領域中新

的突破。比如，新的成像方式可以觀察兒(er) 童學會(hui) 說話前後的大腦運作，或者學會(hui) 行走的前後變化。這就為(wei) 神經科學家創造了無數的可能

性，為(wei) 實驗提供了一個(ge) 全新的方法。

神經科學演示：

a.進行球類遊戲時候的大腦活動。神經振蕩模式集中在~20Hz，主要涉及的大腦區域集中在控製腰部和手臂運動的部分。（Nature 

555 657，Springer Nature許可）。b.在虛擬現實中的測試。被測者置身於(yu) 一個(ge) 虛擬房間中，探過一個(ge) 杆子去觀察遠處的棋盤。如果

棋盤在左邊，右邊的視覺皮層就會(hui) 活躍（紅色），如果棋盤出現在右邊，左邊的視覺皮層就會(hui) 活躍（藍色）（Neuroimage 199 

408，Elsevier許可，Ben McGeorge Henderson）。c.2歲受測兒(er) 童在感官實驗中的大腦活動。（CC by 4.0 Nature 

Communications 10 4785）

除了神經科學，OPM-MEG成功的標誌還體(ti) 現在臨(lin) 床醫學的国产成人在线观看免费网站。傳(chuan) 統的MEG可以用在觀察癲癇診斷中特定類型的“峰——波”活

動。同時在治療藥物無法控製的癲癇的切除術（將大腦中導致癲癇的部分切除）中也有国产成人在线观看免费网站。MEG掃描可以定位作用區域，從(cong) 而大大

增加手術的有效性和成功率。

“Understanding and managing human brain health is one of the major scientific challenges of the 21st century”

“對人類大腦健康的理解和測繪是21世紀科學界大的挑戰之一”

MEG還可以用在測繪癲癇區域周圍的運動性語言中樞（大腦中正常工作的區域）。這可以為(wei) 神經外科學家提供很多有價(jia) 值的信息——

比如，測繪大腦中的運動區域，可以在外科手術中避免對這些區域的損傷(shang) ，從(cong) 而避免造成病人癱瘓。現在，OPM-MEG的靈活性也被

用於(yu) 癲癇兒(er) 童的檢測，因為(wei) OPM-MEG技術回避了傳(chuan) 統EEG和MRI的局限性。理論上說，OPM-MEG的堅固性也可以記錄癲癇發病時的

腦部活動。對於(yu) 癲癇病人來說，OPM-MEG是一種極具前景的技術。

這一技術在其他腦部障礙領域也有用武之地。比如對於(yu) 帕金森氏病患者，保持適用於(yu) 傳(chuan) 統檢測的穩定度時很困難的，OPM-MEG就為(wei)

這類患者的檢測提供了新的可能性。此外，大約二到三成的人，在生命中的某個(ge) 階段，會(hui) 發生精神健康方麵的問題，而且Z新的記錄表

明，OPM-MEG可以探測到之前預想中認為(wei) 會(hui) 被嚴(yan) 重精神疾病毀壞的大腦之間的連接。同時，對於(yu) 老年人“皮質減緩”（神經振蕩頻

率漂移的一種現象）的識別，可以作為(wei) 一種新的早期老年癡呆症發病的信號。上述僅(jin) 僅(jin) 是可得益於(yu) 這種新設備的大腦功能障礙的冰山一

角。

理解和描繪人腦健康，是21世紀科學界主要的挑戰之一，但是去迎接這一挑戰的手段仍不清晰。即便如此，從(cong) X射線到MRI，從(cong) 超聲

技術到核醫學，物理學不斷能夠提供改變生活的新技術。當我們(men) 展望未來時，也許這一量子技術項目的前期成功，將會(hui) 成為(wei) 下一代健康

技術發展的基石。

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